Egzamin z Analizy 1, 1 II 2011

1. Zadanie wstępne:

Grupa A:

Zadanie

Odp.

√ 9 n 2 − 5

1. Obliczyć granicę lim

√

1

n→∞ n +

4 n 2 + 2

Rozwiązanie:

√

q

q

9 n 2 − 5

n 9 − 5

9 − 5

3

lim

√

= lim

n 2

= lim

n 2

=

= 1

n→∞ n +

4 n 4 + 2

n→∞

q

q

n(1 +

4 + 2 )

n→∞ 1 + 4 + 2

1 + 2

n 2

n 2

cos 2 x

2. Obliczyć granicę lim

− 1

x→ π 4 x − π

2

4

Rozwiązanie:

cos 2 x

− 2 sin 2 x

1

lim

= lim

= −

x→ π 4 x − π

x→ π

4

2

4

4

0

Stosujemy regułę del’Hospitala dla granicy 0

3. Obliczyć drugą pochodną f 00(1) jeżeli f ( x) = x ln(1 + x 2) 2

Rozwiązanie:

1

2 x 2

f 0( x) = 1 · ln(1 + x 2) + x ·

· 2 x = ln(1 + x 2) +

1 + x 2

1 + x 2

2 x

4 x · (1 + x 2) − 2 x 2 · 2 x f 00( x) =

+

1 + x 2

(1 + x 2)2

f 00(0) = 2 + 4 · 2 − 2 · 2 = 2

2

4

Z

4

5

− 4

4. Obliczyć całkę nieoznaczoną

−

d x

− 5 ln |x− 3 |+

( x + 1)2

x − 3

x + 1

Rozwiązanie:

C

Z

Z

Z

4

5

1

1

− 1

−

d x = 4

d x− 5

d x = 4 ·

− 5 ln |x−

( x + 1)2

x − 3

( x + 1)2

x − 3

x + 1

3 | + C

Podstawienie liniowe: t = x + 1 oraz t = x − 3

√ 7

Z

√

5. Obliczyć całkę Riemanna

12 x x 2 − 3 d x

28

2

Rozwiązanie:

√ 7

Z

√

√

12 x x 2 − 3 d x = {t = x 2 − 3 ; d t = 2 x d x ; t(2) = 1 ; t( 7) = 4 } =

2

4

Z

√

h

3 i4

6 t d t = 4 t 2

= 4(8 − 1) = 28

1

1

1

Zadanie wstępne

Grupa B:

Zadanie

Odp.

√n + 2

1. Obliczyć granicę lim

+ ∞

n→∞ ln(1 + 1 )

n

Rozwiązanie:

√n + 2

+ ∞

lim

=

= + ∞

n→∞ ln(1 + 1 )

0+

n

x 3 − 6 x

2. Obliczyć granicę lim

3

x→ 0 1 − e 2 x

Rozwiązanie:

x 3 − 6 x

3 x 2 − 6

− 6

lim

= lim

=

= 3

x→ 0 1 − e 2 x

x→ 0 − 2 e 2 x

− 2

0

Stosujemy regułę del’Hospitala dla granicy 0

√

3. Obliczyć drugą pochodną f 00(1) jeżeli f ( x) = ( x + 1) x 1

2

Rozwiązanie: √

√

√

3

1

f ( x) = ( x + 1) x = x x +

x = x 2 + x 2

1

f 0( x) = 3 x 2 + 1 x− 12

2

2

f 00( x) = 3 x− 12 − 1 x− 32

4

4

f 00(1) = 3 − 1 = 1

4

4

2

Z

6 x + 2

4. Obliczyć całkę nieoznaczoną

d x

3 ln |x 2

+

1 |

+

x 2 + 1

Rozwiązanie:

2 arc tg( x) + C

Z

6 x + 2

Z

2 x

Z

1

d x = 3

d x + 2

d x = 3 ln |x 2 + 1 | + 2 arc tg( x) + C

x 2 + 1

x 2 + 1

x 2 + 1

W pierwszej całce licznik jest pochodną mianownika, podstawienie: t = x 2 + 1

π

Z

5. Obliczyć całkę Riemanna

4 cos2 x d x

2 π

0

Rozwiązanie:

π

π

Z

Z

h

i π

4 cos2 x d x =

2(1 − cos 2 x) d x = 2 x − sin 2 x

= 2 π

0

0

0

2

2. Dla jakiej wartości parametrów a, b funkcja f : R → R jest ciągła?



x ln(1 + x)





dla x > 0







1 − cos x



f ( x) =

ax + b

dla − 1 ­ x ¬ 0





x 4 + x







dla x < − 1



x + 1

Rozwiązanie:

Funkcja jest ciągła na zbiorze ( −∞, − 1) ∪( − 1 , 0) ∪(0 , ∞) . Pozostaje sprawdzić ciągłość w punktach x 1 = 0 i x 2 = − 1.

Sprawdzamy ciągłość w punkcie x 1 = 0 :

lim f ( x) = lim f ( x) = f (0) x→ 0 −

x→ 0+

f (0) = b

lim f ( x) = lim ( ax + b) = b x→ 0 −

x→ 0 −

h 0 i

h 0 i

1

x ln(1 + x)

0

ln(1 + x) + x

0

+ 1+ x−x

1+ x

(1+ x)2

lim f ( x) = lim

1+ x

=

lim

=

lim

= 2

x→ 0+

x→ 0+

1 − cos x

x→ 0+

sin x

x→ 0+

cos x

H

H

Mamy:

b = b = 2

Sprawdzamy ciągłość w punkcie x 2 = − 1 : lim f ( x) = lim f ( x) = f ( − 1) x→− 1 −

x→− 1+

f ( − 1) = −a + b

h 0 i

x 4 + x

0

4 x 3 + 1

lim f ( x) = lim

=

lim

= − 3

x→− 1 −

x→− 1 − x + 1

x→− 1 −

1

H

Stosujemy jeszcze regułę del’Hospitala dla granicy [ 0 ]

0

lim f ( x) = lim ( ax + b) = −a + b x→− 1+

x→− 1+

Mamy:

−a + b = 2 = −a + b

Stąd −a + 2 = − 3 = ⇒ a = 5

Odpowiedź:

Funkcja f ( x) jest ciągła dla a = 2 oraz b = 5 .

3

3. Znaleźć ekstrema lokalne i globalne funkcji

√ 2 x − 2

f ( x) =

x

Rozwiązanie:

Dziedziną funkcji jest:

D = < 1 , ∞)

Funkcja jest ciągła na D i różniczkowalna na (1 , ∞) .

Badamy monotoniczność funkcji obliczając pochodną:

√

2

√

x −

2 x − 2

f 0( x) = 2 2 x− 2

x 2

Rozwiązujemy nierówność f 0( x) > 0 .

√

x

√

−

2 x − 2

2 x− 2

> 0

x 2

√

x

√

−

2 x − 2 > 0

ponieważ mianownik > 0

2 x− 2

√

x − (2 x − 2) > 0

mnożymy przez

2 x − 2 > 0

x < 2

Wniosek:

Funkcja f ( x) jest rosnąca przedziale < 1 , 2 > , malejąca na przedziale < 2 , ∞) .

W punkcie x = 1 jest więc minimum lokalne, W punkcie x = 2 jest maksimum lokalne i jednocześnie maksimum globlane.

Aby sprawdzić, czy x = 1 jest minimum globalnym obliczamy: f (1) = 0

√

s

2 x − 2

2

2

lim f ( x) = lim

= lim

−

= 0

x→∞

x→∞

x

x→∞

x

x 2

Ponieważ f (1) ¬ lim f ( x) więc x = 1 jest minimum globalnym.

x→∞

Odpowiedź:

Funkcja ma:

minimum lokalne w punkcie x = 1,

minimum globalne w punkcie x = 1 o wartości f (1) = 0, maksimum lokalne w punkcie x = 2,

√

maksimum globalne w punkcie x = 2 o wartości f (2) =

2 .

2

4

4. Obliczyć całkę nieoznaczoną

Z

cos3 x

I =

d x

sin2 x + 2 sin x

Rozwiązanie:

Całkujemy przez podstawienie:

(

)

t = sin x

d t = cos x d x

Z

(1 − sin2 x) cos x

Z

1 − t 2

I =

d x =

d t

sin2 x + 2 sin x

t 2 + 2 t

Dzielimy licznik przez mianownik:

−t 2 + 1 = − 1 · ( t 2 + 2 t) + 2 t + 1

Z

Z

2 t + 1

I =

− 1 d t +

d t

t 2 + 2 t

Funkcję wymierną rozkładamy na ułamki proste:

2 t + 1

2 t + 1

A

B

=

=

+

t 2 + 2 t

t( t + 2)

t

t + 2

2 t + 1 = A( t + 2) + Bt Podstawiamy t = 0 , stąd 2 A = 1 = ⇒ A = 12

Podstawiamy t = − 2 , stąd − 2 B = − 3 = ⇒ B = 32

Z

1 Z 1

3 Z

1

1

3

I = −

d t +

d t +

d t = −t +

ln |t| +

ln |t + 2 | + C =

2

t

2

t + 2

2

2

1

3

− sin x +

ln | sin x| +

ln | sin x + 2 | + C

2

2

Odpowiedź:

I = − sin x + 1 ln | sin x| + 3 ln | sin x + 2 | + C

2

2

5

5. Znaleźć objętość bryły powstałej z obrotu obszaru: 0 ¬ y ¬ sin2 x , 0 ¬ x ¬ π wokół

osi Ox

Rozwiązanie:

Objętość bryły jest równa:

π

Z

V = π

(sin2 x)2 d x

0

1 − cos 2 x

Korzystamy ze wzoru: sin2 x =

2

π

π

Z

(1 − cos 2 x)2

π Z

V = π

d x =

(1 − 2 cos 2 x + cos2 2 x) d x =

4

4

0

0

π

π

π Z

1 + cos 4 x

π Z

π h

(1 − 2 cos 2 x +

) d x =

(3 − 4 cos 2 x + cos 4 x) d x =

3 x − 2 sin 2 x +

4

2

8

8

0

0

1

i π

π h

1

1

i

3 π 2

sin 4 x

=

(3 π − 2 sin 2 π +

sin 4 π) − (0 − 2 sin 0 +

sin 0) =

4

0

8

4

4

8

1 + cos 4 x

Wykorzystaliśmy wzór: cos2 2 x =

oraz zastosowaliśmy podstawienia liniowe:

2

t = 2 x i s = 4 x

Odpowiedź:

3 π 2

V = 8

6

6. Obliczyć całkę niewłaściwą

∞

Z

x 2 e−x d x

0

Rozwiązanie:

∞

b

Z

Z

I =

x 2 e−x d x = lim

x 2 e−x d x

b→∞

0

0

Obliczamy całkę przez części:

b

b

(

)

Z

f ( x) = x 2

g0( x) = e−x

Z

h

x 2 e−x d x =

= −x 2 e−x i b −

( − 2 xe−x) d x = −b 2 e−b +

f 0( x) = 2 x g( x) = −e−x 0

0

0

b

Z

2

xe−x d x

0

b

b

(

)

Z

f ( x) = x

g0( x) = e−x

Z

h

xe−x d x =

=

−xe−x i b −

( −e−x) d x = −be−b +

f 0( x) = 1 g( x) = −e−x 0

0

0

b

Z

h

e−x d x = −be−b + −e−x i b = −be−b − e−b + 1

0

0

Stąd:

b

Z

x 2 e−x d x = −b 2 e−b − 2 be−b − 2 e−b + 2

0

Obliczamy granicę:

−b 2 − 2 b − 2

lim −b 2 e−b − 2 be−b − 2 e−b + 2 = 2 + lim

= 2 + 0 = 2

b→∞

b→∞

eb

−b 2 − 2 b − 2

Granica lim

jest równa 0, ponieważ funkcja wykładnicza dąży do nie-b→∞

eb

skończoności szybciej niż wielomian, przy argumencie dążącym do nieskończoności.

Można też zastosować regułę del’Hospitala:

h −∞ i

h −∞ i

−b 2 − 2 b − 2

+ ∞

− 2 b − 2

+ ∞

− 2

− 2

lim

=

lim

=

lim

=

= 0

b→∞

eb

b→∞

eb

b→∞ eb

∞

H

H

Odpowiedź:

∞

Z

x 2 e−x d x = 2

0

7